第五章+过滤

第五章过滤5-1 水和废水处理的主要单元方法5.1.1 过滤的基本概念以粒状滤料层（如石英砂、无烟煤等）截留水或废水中的细小杂质而使得到澄清的处理工艺。

给水处理中常用的传统处理工艺。

废水处理中常用于深度处理或用于保护其它处理工艺（如活性炭吸附、离子交换及膜分离等）正常运行的预处理或以去除废水中细小SS的终处理工艺。

5.1.2过滤的主要处理对象及功能1、处理对象去除水或废水中细小（2~10μm）的SS、絮凝性胶体颗粒。

去除水或废水中有机物、大量的微生物及病源体。

2、主要功能经其处理后使出水中残留的微生物体及病源体等失去保护而利于其在后续处理设施、中得以有效去除。

降低水或废水的浑浊度，使处理出水清澈透明。

5.1.3过滤在水处理工艺中的位置一般位于沉淀池处理工艺之后、深度处理工艺之前，有时也作最终处理工艺。

——给水处理中，设在沉淀(澄清)之后，进一步降低浊度（20° →≤5°，达到饮用水对浊度的要求）。

——直接过滤:低浊度水（投药混合之后，对颗粒尺度要求不高）。

地下水除铁、锰（曝气氧化，产生铁、锰的沉淀物之后）。

——污水二级处理之后:去除悬浮、胶体物质。

5.1.4 过滤工艺的类型1、慢滤池（slow sand filter）最早用于饮用水处理；普通快滤池（降流式、单层滤料）。

滤料尺寸 0.15~0.35mm滤 速 0.03~0.1 mm/s工作周期 几周至数月净化机理 ① 机械隔滤(滤膜、孔隙小)② 滤膜中的生化作用清洗方式 刮除表层滤料特点 出水水质好，生产效率低，仅在表层几厘米滤层中纳污。

2、快（砂）滤池（rapid filter）滤料尺度 0.5~2.0mm滤 速 1.5~3.0mm/s工作周期 十几小时至几天清洗方式反冲洗净化机理机械隔滤、沉淀作用、接触凝聚（主要）。

（1）多层滤料滤池（改进滤料的组成及粒径分布，提高滤池的截污能力）；（2）升流式滤池（改进滤池的构造及工艺操作）；（3）虹吸滤池、无阀滤池（减少滤池的闸阀、简化运行控制、实现自动化）；（4）压力滤池（适用于小规模处理场合）。

5-2 滤池的构造、运行及除污原理5.2.1 基本组成及其功能（1）滤料层一般以石英砂作滤料。

粒径为0.5 ~ 1.2 mm，层厚一般为0.6~0.8 m。

粒径自上而下有小至大分布。

截留细小的污染物。

（2）承托层一般为鹅卵石层。

粒径为 2.0 ~ 32 mm，层厚一般为0.4~0.5 m。

粒径自上而下有小至大分布。

支撑滤料、均匀集水和布（配）水。

（3）配水系统一般均匀集水和配水。

（4）洗砂排水槽过滤过程中起均匀配（布）水作用，冲洗过程中起集水作用。

（5）反冲洗系统将过滤过程中截留在滤料层中的污物以一定的方式清洗干净，恢复滤池的工作能力。

进、出水闸阀及管道系统。

原水管阀、清水管阀、反冲洗水管阀、反冲洗排水管阀、集水和配水管等。

5.2.2 快滤池的构造与工作过程1、构造常为钢筋混凝土池子，包括进、出水渠、洗砂排水槽、滤料层、承托层、配水系统等几个部分；管廊内主要是浑水进水、清水出水、初滤水、冲洗来水、冲洗排水等几种管道及相应的控制阀门。

2、工作过程包括过滤与反冲洗两个过程1）、过滤：过滤时，开启进水支管2与清水支管3的阀门，关闭冲洗水支管4与排水管5的阀门。

浑水就经进水总管1、支管2从浑水渠6进入滤池。

经过滤料层7、承托层8后，由配水系统的配水支管9汇集起来经配水系统干渠10、清水支管、清水总管12流往清水池。

浑水流经滤料层时，水中杂质即被截留。

随着滤层中杂质截留量的逐渐增加，滤料层中的水头损失也相应增加。

一般当水头损失增至一定程度以致滤池产水量减少，或由于滤池出水水质不符合要求时，滤池便须停止过滤进行冲洗。

2）、反冲洗：冲洗时，关闭进水支管2与清水支管3的阀门，开启排水管5与冲洗水支管4的阀门。

冲洗水即由冲洗水总管11、支管4经配水系统的干管、支管及支管上的许多孔眼流出，由下而上穿过承托层及滤料层，均匀地分布于整个滤池平面上。

滤料层在由下向上均匀分布的水流中处于悬浮状态，滤料得到清洗。

冲洗废水流入洗砂排水槽13，再经浑水渠6、排水管和废水渠14进入下水道。

冲洗一直进行到滤料基本干净为止。

冲洗结束后，过滤从新开始。

从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池工作周期，从过滤开始至过滤结束称为过滤周期。

快滤池的产水量决定于滤速（以m/h计），滤速相当于滤池的面积负荷，即单位时间单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/（m2.h）。

5.2.3 净化机理当含有悬浮颗粒的水通过滤层时，产生两个过程：——悬浮颗粒向滤料表面迁移──胶离流线与滤料接触。

①筛滤和机械截留②布朗运动③重力沉降④惯性碰撞⑤流动接触——悬浮固体在滤料表面的附着──不离开表面，从而从水中去除。

①机械附着②凝聚作用③化学作用主要机理:接触凝聚。

快滤池的去除效果受颗粒尺度的影响较小，而主要取决于颗粒的表面性质──可以去除比滤料孔隙小得多的脱稳胶体颗粒，胶体不脱稳，去除率明显下降。

沉淀作用──颗粒沉淀至滤料表面；机械隔滤──去除粒径大的颗粒。

5.2.4滤层截留杂质的规律1、杂质截留过程接触凝聚附着──与絮凝体的表面特性、吸附强度有关。

过渡开始时，由于孔隙大、流速小，杂质主要集中在表层。

水力冲刷脱落──由于流速作用。

随着杂质积累、阻塞孔隙，流速增大，使部分颗粒被冲刷、脱落，杂质向下推移，下层滤层的作用逐渐发挥。

由于表层颗粒细(水力筛分的结果)，附表面积大，截面杂质多，所以整个滤层的截留作用尚未完全发挥，过滤过程就将结束。

2、杂质在滤层中的分布①滤料粒径下大上小，孔隙也下大上小，造成表层滤料截留杂质多。

由于表层滤料筛滤的结果，堵塞严重，有时形成滤膜，使过滤阻力剧增。

② 当受力不均时，造成裂缝，局部阻力突然减小，杂质穿透，水质恶化。

③ 杂质在滤层中的分布。

3、影响滤层中杂分布的主要因素① 滤速：滤速大，能发挥作用的滤层越厚，杂质进入深度越深，在滤层分布越均匀。

但滤速太大，在经济上不合理，阻力增加快。

② 滤料粒径与级配：粒径较大，级配较均匀，则杂质分布也均匀。

③ 滤料层的组成：采用多层滤料，使粒径沿水流方向由大而小，为“反粒度过滤”，可充分发挥滤层的作用。

‘水力筛分现象‘：滤料层经过高速水流反冲洗后，出现滤料上细下粗的分层现象称为水力筛分。

5.2.5过滤过程中滤层阻力的变化1、等速过滤中阻力的变化1）等速过滤：过滤过程中，过滤的流量或滤速始终保持不变。

无阀滤池与虹吸滤池属于等速过滤。

2）清洁滤层的水头损失：过滤开始阶段的水头损失，可用柏耐克-柯士南公式计算：()2320615⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⋅−⋅⋅=d v l m m g h ψγ 3）过滤过程中水头损失的增加试验证明：a. 水头损失与过滤时间成正比。

b. 滤速v 1>v 2时，h o1>h o2，tg α1> tg α2，T 1<T 2。

说明水头损失h 与滤速直接相关。

从图中可以知道，当水头损失达到允许水头损失时，过滤结束，此时应反冲。

4）滤层中水头损失的分布。

2、变速过滤中滤速的变化1）变速过滤：随过滤时间的增加，滤速逐渐减小的过滤称为变速过滤。

变速过滤中过滤水头基本保持不变，普通快滤池属于此类型。

2）滤速变化：见图。

5.2.6提高过滤效率的途径1、反粒度过滤可使杂质分布趋于合理；单位体积滤料的纳污能力提高；减缓阻力增加速度，延长工作周期。

2、上向流过滤改变水流方向，使水流流经的滤料粒径分布由大而小。

3、采用双层或多层滤料采用密度不同的材质所制的滤料，可部分改善滤料粒径分布的问题。

如三层滤料：上层无烟煤，中间石英砂，下层磁铁石。

5-3 滤池的工艺设计5.3.1 基本原则和要求1、滤料（1）滤料的选择——具有足够的机械强度； ——具有化学稳定性； ——具有一定的吸附面积； ——具有一定的级配和孔隙率； ——能就地取材、价格便宜。

常用的滤料有石英砂、无烟煤、磁铁石、金刚砂及人工轻质滤料等。

（2）级配与粒径1）粒径：假想的包围滤料颗粒的球体直径。

2）级配：不同粒径滤料所占的比例，常通过筛分实验来确定滤料的级配。

3）级配表示方法——有效直径d 10：通过滤料重量10%的筛孔孔径 ——不均匀系数K 80：108080d d K =式中：d 80——通过滤料重量80%的筛孔孔径。

4）级配单层滤料滤池：石英砂，粒径0.5~1.2mm ，层厚0.6~0.8m双层滤料滤池：无烟煤，粒径0.8~2.0mm ，层厚0.4~0.5m 石英砂，粒径0.5~1.2mm ，层厚0.6~0.8m 三层滤料滤池：无烟煤，粒径0.8~2.0mm ，层厚0.4~0.5m 石英砂，粒径0.5~1.2mm ，层厚0.6~0.8m 磁铁矿，粒径0.2~0.5mm ，层厚~0.1m4）孔隙率m ：VGm ⋅−=γ1 式中：G——滤料干重（g ）V——滤料层体积（cm 3） γ——滤料比重（g/cm 3） （3）滤料层规格滤料层厚度：一般60~70cm 滤料级配：通常K80≤2孔隙率：一般石英砂滤料的孔隙率在0.42左右 若为多层滤料，则应考虑滤料的分层与混杂问题。

（4）种类—石英砂、无烟煤、钛铁矿、磁铁矿； —聚氯乙烯小球、聚苯乙烯小球。

2、承托层（1）作用——支撑滤料——防止滤料流失——均匀布水（2）要求——不被水流冲动——形成均匀空隙——性质稳定（3）种类及级配通常采用天然卵石，厚度约40~50cm。

天然卵石3、配水系统——反冲洗时均匀布水——过滤时均匀集水（1）大阻力配水系统利用穿孔管增大配水系统阻力的方法提高配水的均匀性；配水均匀性好，但构造复杂、易堵塞、检修困难；所需反冲洗动力消耗大。

由滤池结构可知，反冲洗水头应克服下述阻力：配水系统阻力 S1 孔眼局部损失 S2 承托层阻力 S3 滤料层阻力 S4 流速水头 S5对如图所示的配水系统进行分析后可知，压差最大的a 、b 两点的出流量之比为：43214321S S S S S S S S q q b a b a++++++=因S 1a 与S 1b 不等，故q a 与q b 也不可能相等，冲洗水配水不能做到绝对均匀，一般q a /q b ≥0.95即认为均匀。

配水均匀的措施：1）增大S2：使其余阻力与孔眼阻力相比可忽略不计，则q a /q b 接近于1。

按此方法设计的配水系统称为大阻力配水系统。

常用的大阻力配水系统为穿孔管大阻力配水系统，孔眼流速5~6m/s ，冲洗水上升流速0.012~0.014m/s 。

优点：可靠；缺点：动力费用高。

2）减小S1：使S1与其余各项相比可忽略，则q a /q b 接近于1。

按此方法设计的配水系统称为小阻力配水系统。

常用的小阻力配水系统为钢筋混凝土穿孔板、穿孔滤砖等。